Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ИЭ / 2 семестр / Учебник / Мат. анализ 1

.pdf
Скачиваний:
90
Добавлен:
27.08.2020
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

А. П. ПОТАПОВ

Математический анализ, часть 1

Теория, задачи и упражнения

Учебное пособие

Оглавление

I. Теория.

Раздел 1. Дифференциальное исчисление функций одной переменной

Глава 1. Производная и дифференциал

… 2

Глава 2. Основные теоремы дифференциального исчисления

…

27

Глава 3.

Исследование функций

…

53

Раздел 2. Интегральное исчисление функций одной переменной

 

 

Глава 4.

Неопределенный интеграл

…

85

Глава 5.

Определенный интеграл

…

119

Глава 6. Приложения определенного интеграла

…

142

Глава 7.

Несобственные интегралы

…

172

II. Задачи и упражнения.

 

 

Задачи к главе 1

…

201

Задачи к главе 2

…

205

Задачи к главе 3

…

207

Задачи к главе 4

…

210

Задачи к главе 5

…

213

Задачи к главе 6

…

215

Задачи к главе 7

…

217

Ответы

 

…

219

Литература

 

…

231

2

I. Теория.

Раздел 1. Дифференциальное исчисление функций одной переменной

Глава 1. Производная и дифференциал

Содержание

§ 1.

Производная функции …………………………………………………………………… 3

§ 2.

Производные основных элементарных функций ………………..……… 9

§ 3.

Понятие дифференцируемости

.....………………………………………… 11

§4. Правила вычисления производных……………………………………….………. 13

§5. Специальные методы дифференцирования функций …………………… 19

§6. Дифференциал функции …………………………….…………………………………… 21

3

§ 1. Производная функции.

Дана функция

 

с областью определения

. Пусть

внутренняя точка

множества

, т.е.

входит в множество

 

вместе с некоторой своей окрестностью:

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

 

, тогда величина

 

 

 

называется приращением аргумента

 

(приращением независимой переменной) в точке , а величина

 

называется

приращением функции (приращением зависимой переменной) в точке

. Обозначения:

 

 

 

 

- приращение аргумента;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- приращение функции.

 

Приращения аргумента и функции могут принимать любые значения

 

(положительные, отрицательные или нулевые).

 

 

 

 

 

Поведение функции

 

в окрестности точки можно описать

качественно

или

количественно , если известна некоторая зависимость приращения функции от

 

приращения аргумента

. Например, если

 

 

 

при

 

, то функция

 

является непрерывной в точке .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для более точной характеристики поведения функции

в окрестности точки

 

служит понятие производной одно из фундаментальных понятий в математическом

 

анализе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение. Если существует предел

 

 

 

(конечный или бесконечный), то этот

предел называется производной функции

 

 

 

в точке

и обозначается

:

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если производная функции

вычисляется в произвольной точке

, то

применяется формула:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

где

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

;

в частности:

.

 

 

 

 

 

 

 

2. ;

;

; .

4

3.

,

;

;

;

.

4. ; ;

;

 

.

5.

 

если

;

;

 

 

 

если

не существует;

.

6.

 

если

;

;

 

 

 

если

 

 

 

 

 

 

 

 

;

.

Геометрический смысл производной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим на плоскости некоторую кривую

и точку , лежащую на этой

кривой. Проведем секущую через точку

и через другую точку , также лежащую на

кривой . Далее перемещаем точку вдоль кривой

, неограниченно приближая к точке

(см. рис.)

 

 

 

 

 

 

секущая

касательная

Определение. Предельное положение секущей

при неограниченном приближении

точки

вдоль кривой к точке

называется касательной к кривой в точке .

 

Используя понятие касательной, сформулируем геометрический смысл

 

производной.

 

 

 

 

 

 

Для этого рассмотрим график

непрерывной функции

и точку

, ),

где

. Проведем секущую

 

и касательную к графику

в точке

. Пусть

угол между секущей и осью

,

угол между касательной и осью ,

 

угловой коэффициент касательной

 

.

 

 

5

секущая

касательная

Из рисунка видно, что

.

При

точка

неограниченно

 

 

приближается к точке

вдоль графика

и, следовательно, секущая

переходит в

пределе в касательную. При этом

 

и

.

 

 

 

 

Если

существует, то

 

 

 

 

 

.

 

Таким образом, производная функции

в точке

равна угловому

 

 

коэффициенту касательной, проведенной к графику функции в точке

:

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение касательной:

 

 

или:

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прямая, перпендикулярная касательной в точке касания, называется нормалью к кривой.

 

Уравнение нормали:

 

 

 

 

 

или:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составим уравнения касательной и нормали к графику функции

 

в точке

.

 

Здесь

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

Уравнение касательной:

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

Уравнение нормали:

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из геометрического смысла производной следует:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В случае

имеем горизонтальную касательную с уравнением:

 

 

и вертикальную нормаль с уравнением:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В случае

имеем вертикальную касательную с уравнением:

 

и

горизонтальную нормаль с уравнением:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 8. Для функции

 

 

 

 

в точке

имеем

 

 

 

 

 

см Пример

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поэтому касательная к графику функции в этой точке будет вертикальной

и

будет совпадать с осью

, а нормаль будет горизонтальной

 

и будет совпадать с

осью

см рис

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

касательная

нормаль

Физический смысл производной.

1. Скорость и ускорение движения (механический смысл производной).

Пусть

путь, пройденный материальной точкой за время при

прямолинейном движении. Тогда

- путь, пройденный за время .

Отношение

средняя скорость движения на этом промежутке.

Чем меньше , тем точнее средняя скорость выражает скорость движения точки в

данный момент времени .

 

 

 

 

Скоростью движения точки в момент времени

(или мгновенной скоростью)

называется предел средней скорости движения при стремлении к нулю промежутка

времени

 

 

 

 

 

 

.

Таким образом, скорость прямолинейного движения материальной точки в

момент времени есть производная пути

по времени :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично устанавливается, что ускорение

прямолинейного движения

материальной точки в момент времени

есть производная скорости по времени :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

2. Сила тока.

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

количество электричества, протекающего через поперечное

сечение проводника за время . Тогда

 

 

 

- количество электричества,

протекающего за время . Отношение

 

 

средняя сила тока за промежуток .

Силой тока в момент времени называется предел средней силы тока при

стремлении к нулю промежутка времени

 

 

 

.

Таким образом, сила тока в момент времени

есть производная количества

электричества

по времени :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

3. Теплоемкость тела.

 

 

 

 

 

Пусть

 

количество тепла, необходимого при нагревании тела от до

температуры

. Тогда

 

 

- количество тепла, необходимого при

нагревании тела на температуру

. Отношение

средняя теплоемкость при

нагревании от

до

.

 

 

 

 

 

Теплоемкостью тела при температуре

называется предел средней теплоемкости

при стремлении к нулю величины

 

 

 

 

.

Таким образом, теплоемкость тела при температуре

есть производная

количества тепла

по температуре

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

Обобщая вышеприведенные примеры, можно сформулировать физический смысл

производной:

 

 

 

 

 

 

 

если функция

описывает какой-либо физический процесс, то ее

производная

есть

 

скорость

протекания этого процесса.

Односторонние производные.

Если в определении производной функции ограничиться лишь значениями (справа от точки ), то получим определение производной справа (правосторонней

производной); если ограничиться лишь значениями

(слева от точки

), то

получим определение производной слева (левосторонней производной):

 

 

 

 

;

 

 

 

.

 

 

 

 

Очевидно, что для существования «обычной» конечной производной необходимо и достаточно, чтобы существовали конечные производные справа и слева и они были бы равны:

 

 

 

 

.

 

Если

,

, но

 

, то

не существует.

В этом случае касательная к графику функции

в точке

также не существует, но в

этой точке есть левосторонняя и правосторонняя касательные (см. рис.) При этом точка на графике называется угловой точкой.

левосторонняя

 

касательная

правосторонняя

 

касательная

 

 

 

 

8

В случае бесконечных значений производных справа и слева имеем следующую

 

картину:

 

 

 

 

- если

и

, то и

;

 

- если

и

, то и

.

 

В этих случаях касательная к графику в точке

является вертикальной (см. Пример 8).

 

Если

,

, или

,

,

т.е.

, то в этом случае

 

, при этом левосторонняя и

 

правосторонняя касательные вертикальны и совпадают (см. Пример ниже).

Примеры.

9. .

;

.

Так как

, то

не существует.

Геометрически это означает,

 

что в точке

касательная к графику

 

функции

не существует.

 

10. .

;

;

;

 

 

.

касательная

Здесь левосторонняя и правосторонняя

 

касательные вертикальны и совпадают.

 

Замечание.

 

 

В определении производной функции

в некоторой точке предполагалось,

что

внутренняя точка области определения

. Теперь можно допустить, что эта

точка не является внутренней для , но при обязательном условии, чтобы множество

содержало некоторый промежуток вида

или

, где

. Тогда

производная в точке будет пониматься как односторонняя производная.

 

9

§ 2. Производные основных элементарных функций.

Вычислим производные основных элементарных функций.

1. Постоянная функция:

.

;

; .

2. Степенная функция. Частные случаи.

2.1.

,

натуральное число .

. По формуле бинома Ньютона имеем:

;

;

;

.

Например:

;

;

.

2.2. .

.

2.3. .

.

Замечание. При имеем касательная

правостороннюю производную:

.

10

3. Степенная функция. Общий случай:

,

.

 

 

 

3.1.

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

при

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.

; в этом случае

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если

 

Например:

 

;

 

 

.

 

 

4. Показательная функция:

 

, где

.

 

 

 

;

 

 

 

 

при

;

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

; в частности:

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

5. Логарифмическая функция:

, где

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

; в частности:

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Тригонометрические функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.1.

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

;